Industriālo dzinēju vadības optimizācija: Invertera modernizācija enerģijas ietaupīšanai
Kā industriālā ražošanas sirds, elektriskie automatizācijas sistēmas tieši ietekmē kopējos ražošanas izmaksas un vides ietekmi. Parastā konstantā ātruma darbība bieži rada enerģijas zudumu, reaģējot uz mainīgajiem slodzes prasībām, un padara precīzu procesu pārvaldību grūti sasniedzamu. Mainīga frekvences ātruma regulēšanas tehnoloģija, kā pašreizējā motoru pārvaldības metode, piedāvā solīdus risinājumu šiem jautājumiem. Šajā pētījumā tiek izpētīts elektriskā automatizācijas sistēma elektrostacijā, lai izskatītu modernizācijas plānu, balstoties uz invertora ātruma regulēšanas tehnoloģiju un tās enerģijas taupības efektus, mērķinot sniegt atsauces punktu līdzīgām rūpnieciskām situācijām.
1 Pašreizējais stāvoklis un invertoru lietojuma modernizācijas prasības elektriskajā automatizācijā
1.1 Esošā aprīkojums
Elektrostacijas elektriskā automatizācijas sistēma galvenokārt sastāv no trim daļām: elektrosniedzēju sistēma, motoru pārvadājuma vienības un pārvaldības sistēma. Elektrosniedzēju sistēma ietver 10 kV augstsprieguma slēdzes, transformatorus un 400 V zemsprieguma slēdzes, kas ievietotas koku struktūrā, lai nodrošinātu elektrosniedzēju sadalīšanu. Motoru pārvadājumi galvenokārt ir asinhronie motori, kas kontrolēti tiešā pievienošanas vai zvaigznainā samazinātā sprieguma uzsākšanas metodes. Pompas veido vislielāko daļu no vietēji esošā aprīkojuma, tostarp cirkulācijas ūdens pompas, dzesēšanas ūdens pompas un pārnestās ūdens pompas. Šie ierīces darbojas ar konstantu ātrumu, ar plūsmu reglamentētu caur ventilām, kas rada augstu enerģijas patēriņu. Esošā sistēmas arhitektūra ir salikta decentralizēti, ar daļēju centralizētu pārvaldību. Augšējā monitorēšanas sistēma komunicē ar laukā esošajām pārvaldības sistēmām, izmantojot rūpniecisko Ethernet, lai nodrošinātu centralizētu datu attēlošanu un attālinātu operācijas. Tomēr pašreizējā pārvaldības sistēma trūkst ievērojamām kontrolēšanas algoritmu, kas nepieciešami mainīgam frekvenču ātruma regulēšanai, kas rada deficītu enerģijas pārvaldībā un procesu optimizācijā.
1.2 Modernizācijas prasības
Balstoties uz pašreizējo aprīkojuma stāvokli, elektriskā automatizācijas sistēmas modernizācijas prasības galvenokārt fokusējas uz enerģijas efektivitātes uzlabošanu un kontrolēšanas optimizāciju. Ir jāievieš invertora balstīta ātruma regulēšanas tehnoloģija, lai nodrošinātu pompām un ventilām efektīvu darbību, pielāgojot motoru ātrumu, lai atbilstu slodzes prasībām.
Tāpat, izmantojot esošās pompu stacijas un ražošanas objektus, ir steidzami jāveido intelektuāla monitorēšanas platforma, kas atbilst 2. līmeņa kiberdrošības aizsardzības prasībām. Šī platforma, kas balstīta uz mākoņdarbību un integrēta ar IoT tehnoloģiju, ļaus bezsekošu integrāciju uzņēmuma pārvaldībai un laukā esošajām pārvaldības sistēmām. Sistēmas arhitektūra pieņem trīsceturgu struktūru "centrālā platforma + decentralizēti apakšsistēmas + mobila termināls", nodrošinot reāllaiku datu iegūšanu, efektīvu apstrādi un drošu glabāšanu.
Centrālā platforma, kas balstīta uz augstas veiktspējas serveru klasteri, ievieš ievērojamus datu analīzes algoritmus, lai nodrošinātu precīzu lēmumu atbalstu. Decentralizētās apakšsistēmas ietver moduļus aprīkojuma stāvokļa monitorēšanai, video uzraudzībai un vides parametru iegūšanai, pilnībā aptverot visus ražošanas operāciju aspektus. Mobila termināls, izmantojot pielāgotas aplikācijas, ļauj attālinātu monitorēšanu un tūlītēju paziņojumu saņemšanu.
2 Enerģijas taupības efektu teorētiskā pamata
Šajā pētījumā enerģijas taupības efektu analīze, kas saistīti ar invertora ātruma regulēšanas tehnoloģiju, galvenokārt balstās uz ventilatoru un pompu afinācijas likumiem un mainīgas frekvences ātruma regulēšanas enerģijas pārveidošanas principiem. Pēc aprīkojuma darbības statusa, liels skaits pompām un ventilatoriem darbojas ar konstantu ātrumu, ar plūsmu reglamentētu caur ventilām, kas rada zināmas enerģijas zaudējumu. Savukārt, mainīga frekvences ātruma regulēšana pielāgo motoru ātrumu, lai atbilstu slodzes prasībām, sasniedzot enerģijas taupību. Ventilatoru un pompu afinācijas likumi ir izveidoti, balstoties uz attiecībām starp plūsmas apjomu, virsbūtību un jaudu, ar atbilstošiem aprēķina formulām:
kur Q ir plūsmas apjoms (m3/h); n ir rotācijas ātrums (ob/min); H ir virsbūtība (m); P ir jauda (kW), kur P1 pārstāv nomālās jaudas un P2 jauda samazinātā ātrumā. Mainīgas frekvences ātruma regulēšanas enerģijas pārveidošanas formula ir:
Balstoties uz minētajām teorētiskajām attiecībām, kad sistēmas plūsmas prasības samazinās, motors automātiski samazina ātrumu, izmantojot frekvences kontrolēšanu, būtiski samazinot enerģijas patēriņu un sasniedzot enerģijas taupību. Tas nodrošina teorētisko pamatu nākamajai modernizācijas izstrādei un enerģijas taupības novērtēšanai.
3 Invertora ātruma regulēšanas tehnoloģijas modernizācijas plāns
3.1 Elektrosniedzēju sistēmas modernizācija
Lai efektīvi ieviestu invertora ātruma regulēšanas tehnoloģiju, šajā pētījumā tika modernizēta esošā elektrosniedzēju sistēma. Augstsprieguma sistēmai 10 kV slēdzes tika uzlabotas, instalējot intelektuālas vakuumslēdzes ar nominālo strāvu ne mazāk par 1,250 A un nominālo īsā gājiena izbeidzošanas spēju 31.5 kA. Tika integrētas mikroprocesora balstītas aizsardzības relejas, nodrošinot daudzfunkcionālu aizsardzību, ieskaitot pārstrāvas, īsā gājiena un zemes fāzes traucējumus, ar atbildes laiku mazāk par 20 ms. Tika ieviesta arī elektriskās enerģijas kvalitātes monitorēšanas sistēma, izmantojot A klases augstprecīzus sensorus, lai reāllaikā monitorētu parametrus, piemēram, harmonisku saturu, sprieguma svārstības un trīsfāzes neatbilstību, nodrošinot sistēmas stabilitāti.
Zemsprieguma sistēmai 400 V sistēma tika modernizēta. Esošajā sistēmā tika pievienotas specializētas invertora barošanas līnijas, izmantojot neatkarīgas barošanas šķīrņus, aprīkotos ar intelektuālām formētās korpusa slēdzes. Nominālā strāva tika izvēlēta starp 400 A un 630 A, atkarībā no slodzes prasībām, ar elektroniskiem trip moduļiem, lai nodrošinātu precīzu pārstrāvas un īsā gājiena aizsardzību. Katrai invertora līnijai ir aprīkots izolēšanas slēdis, kas atbilst slēdzes nominālajai strāvai, un ietver redzamu pārtraukumu, lai palīdzētu aprīkojuma uzturēšanai.
Harmonisku mazināšanai tika instalētas aktīvās enerģijas filtri (APF) invertora ievedē, ar specifiskām specifikācijām, kā norādīts Tabulā 1.
Apgrieztās sistēmas optimizācijai šajā pētījumā tika pieņemta TN-S vadu metode, atdalot neitrālo līniju (N) no aizsargājošās zemes līnijas (PE) no sadalīšanas šķīrņa. Galvenā PE līnija izmanto medibas vednes ar sekciju ne mazāk par 95 mm2, lai nodrošinātu zemes pretestību mazāku par 1 Ω. Būtiskās aprīkojuma vietas, piemēram, invertori un motori, tika papildinātas ar vienādo potenciālu savienojuma joslam, izmantojot medibas vednes ar sekciju lielāku par 16 mm2. Tas efektīvi samazina kopējo režīmu traucējumus un palielina sistēmas EMC veiktspēju [21].
3.2 Invertora aprīkojuma izvēle un parametru optimizācija
Inverteru izvēle balstās uz precīzu atbilstību slodzes raksturojumiem un procesa prasībām. Pompu slodzēm tiek izvēlēti vektoru kontrolēšanas invertori, ar to nominālo jaudu stingri atbilstošu motoram, un pārsloga spēju 150%/1 min. Šajā pētījumā tika izvēlēts ABB ACS880 invertors, kas ietver DTC (Direct Torque Control) tehnoloģiju, ar momenta atbildes laiku mazāku par 5 ms un ātruma kontrolēšanas precizitāti ±0.01%. Ņemot vērā vietējo vidi, tika izmantots IP54 aizsardzības rādītāja aizsargāts invertors, aprīkots ar piespiešanas gaisa dzesēšanas sistēmu, nodrošinot dzesēšanas gaisa plūsmu ne mazāku par 1 m3/(min·kW).
Parametru optimizācijai fokuss ir uz PID kontrolēšanas parametru pielāgošanu un invertora iebūvēto automātisko pielāgošanas algoritmu izmantošanu. Caurspridzinājuma atbildes testēšanā tiek automātiski aprēķināti optimālie proporcionālais guvums Kp, integrālais guvums Ki un diferenciālais guvums Kd. PID kontrolētāja izvades u(t) aprēķina formula ir:
Invertora iebūvētais automātiskais pielāgošanas algoritms tiek izmantots, lai automātiski aprēķinātu optimālo proporcionālo guvumu Kp (diapazons: 0.1–100), integrālais laiks Ti (diapazons: 0.1–3600 s) un diferenciālais laiks Td (diapazons: 0–10 s) caurspridzinājuma atbildes testēšanā. Pāriesana laiks ir iestatīts uz 10–30 s, bet pāriesana laiks uz 15–45 s, lai efektīvi novērstu ūdens hāmā efektu. Momenta ierobežojums ir iespējots ar iestatījumu 120% no motoru nominālā momento, lai novērstu pārslogu. Ventilatoru slodzēm tika aktivizēta invertora enerģijas taupības režīms: zemas slodzes apstākļos (slodzes koeficients < 50%), izvade tiek automātiski samazināta, ar maksimālo samazinājumu līdz 20%. Tāpat tika optimizēta V/F līkne, palielinot sprieguma izvadi zema ātruma diapazonā (0–10 Hz), lai nodrošinātu pietiekamu uzsākšanas momentu.
Tika konfigurēta miega-darbības funkcija: ja darbības frekvence paliek zemāka par 10 Hz 60 sekundes, invertors ieejā miega režīmā; tas automātiski modinos, kad sistēmas spiediens samazinās par 5%, turklāt palielinot sistēmas efektivitāti. Pamatinvertera iestatījumos nosūtītā frekvence ir iestatīta uz 4 kHz. Ņemot vērā elektrostacijas faktiskās prasības, pārsprieguma un nepietiekama sprieguma aizsardzības slieksnis tika iestatīts uz 418 V un 304 V attiecīgi. Tāpat tika konfigurēti motoru nominālie parametri un vairākas ātruma darbības iestatījumi, kā detalizēti aprakstīts Tabulā 2.
Strāvas ierobežojuma un minimālās strāvas optimizācijas aprēķina formulas ir attiecīgi šādas:
kur Ilim ir maksimālais strāvas ierobežojums; In ir motoru nominālā strāva; Ismin ir minimālā statora strāva; Idopt ir optimālais excitačijas strāvas komponents; un Iq ir momenta strāvas komponents. Ievēroj
